Diseño de banco de ensayos para el estudio del comportamiento dinámico de depósitos de hidrógeno

Abstract

[ES]En este Trabajo de Fin de Grado se ha diseñado y puesto en marcha un banco de ensayos con el fin de estudiar el comportamiento dinámico de depósitos de hidrógeno sometidos a vibraciones. El equipo consta de un bastidor que soporta el depósito, un motor excéntrico encargado de inducir las vibraciones y un sistema de adquisición de datos formado por un acelerómetro triaxial y una placa de Arduino. Al accionar el motor se genera una vibración en todo el equipo que se recoge mediante los acelerómetros y se convierte al dominio de la frecuencia mediante un programa desarrollado en Python. El análisis de la transformada de Fourier y de la densidad espectral de potencia de la señal proporcionan información válida sobre la respuesta dinámica del sistema (frecuencias propias y su contribución) que deberá ser tenida en cuenta durante la fase de diseño.

Además del prototipo experimental, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos que permite identificar los modos de vibración y medir la evolución del estado tensional generado en cualquier punto del depósito en función de distintas frecuencias de excitación.

Los resultados muestran que para ciertos valores de la frecuencia excitadora se obtienen tensiones relativamente elevadas, lo que pone de manifiesto la necesidad de realizar estudios dinámicos para evitar fallos estructurales. Finalmente, se incluye un breve análisis de fatiga frente a tensiones fluctuantes que permite estimar la duración estimada del depósito.

Se concluye que el banco de ensayos desarrollado representa una alternativa de bajo coste frente a excitadores electrodinámicos comerciales y que el modelo de elementos finitos desarrollado permite analizar el comportamiento dinámico del sistema bajo diversas condiciones de carga y excitación.

[EN]In this Bachelor's thesis, a test bench has been designed and implemented to study the dynamic behavior of hydrogen tanks subjected to vibrations. The equipment consists of a frame that supports the tank, an eccentric motor responsible for inducing vibrations, and a data acquisition system composed of a triaxial accelerometer and an Arduino board. When the motor is activated, vibrations are generated throughout the system, which are recorded by the accelerometers and converted to the frequency domain using a program developed in Python. The analysis of the Fourier transform and the power spectral density of the signal provides valuable information on the system's dynamic response (natural frequencies and their contribution), which must be considered during the design phase.

In addition to the experimental prototype, a finite element model has been developed to identify vibration modes and measure the evolution of the stress state generated at any point of the tank as a function of different excitation frequencies.

The results show that for certain excitation frequency values, relatively high stresses are obtained, highlighting the need for dynamic studies to prevent structural failures. Finally, a brief fatigue analysis under fluctuating stresses is included, allowing for an estimate of the tank’s expected lifespan.

It is concluded that the developed test bench represents a low-cost alternative to commercial electrodynamic exciters and that the developed finite element model allows for the analysis of the system’s dynamic behavior under various load and excitation conditions.